Methoden und Analysen zur Optimierung künstlicher Lawinenauslösungen

177 Pages·2008·13.32 MB·German

Methoden und Analysen zur
Optimierung künstlicher
Lawinenauslösungen
Methods and analyses for optimization of
artificial avalanche release
Diplomarbeit
Institut für Vermessung, Fernerkundung und
Landinformation
Institute of Surveying, Remote Sensing and Land Information
Universität für Bodenkultur Wien
University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vienna
Zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Ingenieur
eingereicht von
Georg Schweidler
22.Oktober 2008
Betreuer:
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Fuchs Helmut
Institut für Vermessung, Fernerkundung und Landinformation
Universität für Bodenkultur Wien
Dipl.-Ing. Dr. Karl Kleemayr
Institut für Naturgefahren und Waldgrenzregionen
Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und
Landschaft
Danksagung
Ich bedanke mich ganz herzlich bei meinen beiden Betreuern, Ao.Univ.Prof.
Dipl.-Ing. Dr.techn. Helmut Fuchs und Dipl.-Ing. Dr. Karl Kleemayr, für die gute
Betreuung meiner Arbeit. Sie waren stets hilfsbereit und hatten immer ein offenes
Ohr für meine vielen Fragen.
Für die Möglichkeit der Durchführung, der Diskussionsbereitschaft und Un-
terstützung vor Ort möchte ich der Obertauern Seilbahn GmbH & CoKG, im
Speziellen Herrn Ing. Harald Ribitsch und Herrn Ernst Doppler danken.
Ein besonderer Dank gilt auch allen, die an diesem Projekt mitgearbeitet
haben. Viele Stunden im Untersuchungsgelände, teilweise trotz widrigster Wetter-
bedingungen, waren notwendig. Ohne die folgenden wäre diese Diplomarbeit nicht
möglich gewesen: Nikolaus Suntinger, Ignasi Vilajosana, Walter Steinkogler und
Christian Naschberger.
Der größte Dank gilt an dieser Stelle meinen Eltern. Sie haben mir das Studium
ermöglicht, und meine Entscheidung, zu studieren, nie in Frage gestellt.
i
Abstract
Natural hazards like avalanches and their impact on society have been apparent in
the last decades.
With increasing sensitivity the demand for active protection measures like artificial
avalanche release has grown. The goal is to reduce the risk and probability of
potential damage.
This work deals with the optimization of artificial avalanche releases by Gazex
installations.
Mechanical analyses of snow, seismic measurements of the ground motion during
controlled blasts of such installations, as well as avalanche simulations with the
three dimensional avalanche simulation model SamosAT supported the process of
position optimization of Gazex devices. An accurate positioning is the basic premise
of an effective temporary protection of a site.
Besides,thedemandsmadeonthedigitalterrainmodelbytheavalanchesimulations
and modern derivation techniques by laser scan technologies are considered.
Kurzfassung
Naturgefahren wie Lawinen und ihre Auswirkungen auf die Gesellschaft waren in
den letzten Jahrzehnten allgegenwärtig.
Mit einer steigenden Sensibilität in diesem Bereich ist auch die Forderung nach
aktiven Schutzmaßnahmen wie künstlichen Lawinenauslösungen gestiegen. Ziel sol-
cher Schutzmaßnahmen ist die Minimierung der Risiken und der Wahrscheinlichkeit
potentieller Schäden.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Optimierung künstlicher Lawinen-
auslösungen durch Gazex Anlagen.
SchneemechanischeAnalysen,seismischeMessungenderErschütterungenvonkünst-
lichen Sprengungen, sowie Lawinensimulationen durch das dreidimensionale Lawi-
nensimulationsmodell SamosAT waren die Grundlage für eine Standortoptimierung
von Gazex Anlagen. Eine genaue Standortwahl bildet die Grundlage einer effektiven
temporären Absicherung eines Gebietes.
Ferner werden die Anforderungen, die an das für die Simulationen notwendige digi-
tale Geländemodell gestellt werden, sowie moderne Erstellungsverfahren durch La-
serscan Technologie betrachtet.
ii
Inhaltsverzeichnis
Danksagung i
Abstracts ii
Inhaltsverzeichnis iii
1 Zielsetzung 1
2 Schneemechanische Grundlagen 2
2.1 Entstehung von Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.1 Bildung von Reif und Raureif . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Eigenschaften von Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.2 Wasseräquivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Wassergehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Mechanische Beschreibung der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Deformation der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.1 Gleiten von Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.2 Kriechen von Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.3 Physikalisch-Thermo-dynamische Vorgänge . . . . . . . . . . . 12
2.4.4 Schmelzmetamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Lawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1 Lawinenklassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.2 Anbrucharten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.3 Anbruchmechanismus von trockenen Schneebrettlawinen . . . 22
2.5.4 Anbruchmechanismus nasser Schneebrettlawinen . . . . . . . . 25
3 Methoden der künstlichen Lawinenauslösung 27
3.1 Sprengmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 GAZEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Wirkung auf die Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Standortwahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Vorteile GAZEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
iii
Inhaltsverzeichnis iv
3.1.2 Zu erwartende Sprengerfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Wellenausbreitung in der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.1 Ausbreitung von Zug- und Druckwellen . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Ausbreitung akustischer Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.3 Wirkung einer Detonation auf die Schneedecke . . . . . . . . . 34
Zündung oberhalb der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . 35
Zündung unterhalb der Schneeoberfläche . . . . . . . . . . . . 35
Verschiebungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Zündung innerhalb der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Überblick über Lawinensimulationsmodelle 40
4.1 Statistische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Energielinienmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 VOELLMY Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Voellmy/Salm/Gubler Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Massenschwerpunktmodell nach Perla/Cheng/McClung (1980) 42
4.2.2 Bingham Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 Granularfließmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Modell nach Gubler (1980) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Modell nach Norem/Irgens/Schieldrop (1989) . . . . . . . . . 43
Modell nach Savage/Hutter (1989, 1991) . . . . . . . . . . . . 43
Modell nach Lang (1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Vergleich der Granularmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Lawinensimulationsmodelle - Stand der Technik . . . . . . . . . . . . 45
4.4 SAMOS - Snow Avalanche MOdelling and Simulation . . . . . . . . . 47
4.4.1 Fließanteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.2 Staubanteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.3 Übergangsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.4 Numerische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4.5 notwendige Eingangsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5 SAMOS-04 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 SAMOS-AT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5 Fernerkundung 56
5.1 Laser Scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Impulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1 Flugzeuggestützter Laserscan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Inhaltsverzeichnis v
Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Möglichkeiten und Einschränkungen . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.2 DTM Generierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Filterung der Daten und Interpolation des DTM . . . . . . . . 62
Ableitung von Geländekanten/Strukturlinien . . . . . . . . . . 62
5.1.3 Terrestrischer Laserscan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Möglichkeiten TLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Einschränkende Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 Qualität von digitalen Höhenmodellen aus Laserscanner Daten . . . . 67
6 Seismik 70
6.1 Grundlagen der Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7 Felderhebungen und Messungen 73
7.1 Topographische Analyse des Untersuchungsgebiets . . . . . . . . . . . 73
7.1.1 Daten zum Hang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.2 Meteorologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.2.1 Extremwertstatistik für Schneehöhen . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.2 Windstatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2.3 Schneehöhenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.3 Chronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3.1 Erhebungen zur Lawine vom 28.April 2006 . . . . . . . . . . . 79
7.3.2 Erhebungen zur Lawine vom Mai 1979 . . . . . . . . . . . . . 81
7.3.3 Erhebungen zur Lawine vom 29.März 1964 . . . . . . . . . . . 82
7.4 Erhebungen vor Ort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.4.1 Schneeprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.4.2 GPS-Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.5 Maßgebliche Flächen und Abbruchgebiete . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.6 Lawinensprengungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.6.1 Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.6.2 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.7 Seismische Untersuchungen im Zuge der Gazex Sprengungen . . . . . 88
7.7.1 Versuchsanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7.7.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8 Lawinensimulationen mit SAMOS AT 99
8.1 Modellkalibrierung von SAMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.1.1 Simulation der Lawine vom 28. April 2006 . . . . . . . . . . . 99
8.1.2 Simulation der Lawine vom Mai 1979 . . . . . . . . . . . . . . 102
Inhaltsverzeichnis vi
8.2 Simulationen SAMOS inklusive Damm . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.2.1 Simulation der Lawine vom 28.April 2006 mit Damm . . . . . 104
8.2.2 Simulation der Lawine vom 28.April 2006 + 2 Dämme . . . . 106
8.3 Simulationen SAMOS für unterschiedliche Einwehungsszenarien . . . 108
8.3.1 Simulation für NW Einwehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.3.2 Simulation für SE Einwehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.3.3 Simulationen für Szenarien ohne Windeinfluss . . . . . . . . . 126
8.4 Simulationen SAMOS für vier GAZEX Zündrohre mit Damm . . . . 133
8.5 Simulationen SAMOS für vier GAZEX Zündrohre ohne Damm . . . . 136
9 Bewertungen und Analysen 137
9.1 Analyse der seismischen Aufnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.2 Bewertung der gewählten Gazex Standorte . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3 Vorteile einer Gazex Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.4 Genauigkeit des Geländemodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10 Anhang 143
10.1 Schneeprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2 Seismogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Literaturverzeichnis 158
Index 167
1 Zielsetzung
Naturgefahren wie Lawinen und deren negative Auswirkungen haben in den
letzten Jahrzehnten zugenommen, nicht zuletzt aufgrund der Zunahmen von
Freizeitsportarten in der freien Natur, sowie dem fortschreitenden Verbauungsgrad
im Zusammenhang mit Wintersporteinrichtungen.
Um ein alpines Terrain temporär absichern zu können, sind umfassende Erhebun-
gen, Voruntersuchungen und Simulationen notwendig.
Die folgenden Seiten sollen einen Überblick über die verwendeten Methoden und
Grundlagen, sowie die Arbeitsschritte bei der Erstellung eines Konzeptes zur Si-
cherung eines Hanges vor Lawinenabgängen geben. Die Auswirkungen von GAZEX
Anlagen auf die Schneedecke und den Untergrund sollen aufgezeigt werden.
Ziel ist es, die Standortwahl einer Gazex Anlage, beziehungsweise mehrerer zu-
sammenwirkender Anlagen, durch Zuhilfenahme von seismischen Messungen und
Simulationstechniken zu optimieren, und die Sicherung des Untersuchungsgebietes
so effizient und sicher als möglich zu gestalten.
Ferner soll einen Einblick in die Materie der Lawinenbildung, der künstlichen
Lawinenauslösung sowie der Lawinensimulation gegeben werden.
Die vorliegende Arbeit ist im Zuge der Erstellung eines Gutachtens im Auftrag
der “Obertauern Seilbahn GmbH & CoKG“ an das Bundesforschungs- und Aus-
bildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft entstanden. Ziel dieses
Gutachtens war die Beurteilung der Auswirkungen temporärer Sicherungsmaß-
nahmen auf das Skigebiet Obertauern, die bestehenden Schutzanlagen und das
Siedlungsgebiet.
1
2 Schneemechanische Grundlagen
2.1 Entstehung von Schnee
An der Oberfläche von in der Atmosphäre schwebenden Wassertropfen
werden Wassermoleküle kontinuierlich mit der Umgebung ausgetauscht
(Perla . Martinelli 1975). In Bezug auf die Oberfläche des Wassertrop-
fens ist die Luft dann gesättigt, wenn die Anzahl der den Tropfen verlassenden
Moleküle gleich der neu hinzukommenden ist. Bei fallender Temperatur nimmt
die Anzahl der am Tropfen kondensierenden Moleküle aufgrund der sinkenden
Wasserdampfkapazität der Luft zu. Der Austausch von Wassermolekülen dauert
so lange an, bis ein neues Gleichgewicht, das heißt eine erneute Sättigung erreicht
ist (abhängig von der neuen Lufttemperatur). Der Betrag des Wasserdampfes bei
Sättigung wird Sättigungsdampfdruck genannt.
In einem aufsteigenden, feuchten Luftpaket kühlt die Luft durch Expansion auf-
grundvonniedrigeremLuftdruckbiszurSättigunghinsichtlichWasserab.Indiesem
übersättigten Zustand tendieren Wassermoleküle dazu, an bestehenden Wassertrop-
fen zu kondensieren, falls solche vorhanden sind. Anfängliche Kondensation findet
an mikroskopisch kleinem Staub, Salz oder Erdpartikeln statt, die durch Wind in
die Atmosphäre gelangen. Diese Partikel werden Kondensationskerne genannt (“con-
densation nuclei“) . Für das Gefrieren eines Tropfens ist eine weitere Verunreinigung
(Eisbildungskern) notwendig, selbst wenn die Temperatur deutlich unter dem Ge-
frierpunkt liegt. Perla (Perla . Martinelli 1975) spricht von “freezing nuclei“.
Diese sind weit seltener als “condensation nuclei“. Bei einem Fehlen dieser Kerne
gefrieren diese Tröpfchen nicht, sondern sie werden unterkühlt. Bei einer Tempera-
tur von 10◦C unter dem Gefrierpunkt enthält ein Kubikzentimeter der Atmosphäre
etwa 10 aktive “freezing nuclei“ . So gefriert bei einer Temperatur von −10◦C nur ein
Wassertröpfchen aus einer Million. Erst bei einer Umgebungstemperatur von −40◦C
gefrieren alle Tropfen spontan.
Ein durch Aufsteigen abgekühltes und gesättigtes Luftpaket besteht bei Umgebung-
stemperaturen zwischen 0◦ und -40◦C demnach aus einer Mischung von Eiskristallen
und unterkühlten Wassertropfen (Perla . Martinelli 1975).
Auch bei einem in der Atmosphäre schwebenden Eispartikel wird der Austausch von
2